Mise en œuvre d analyseur de surface d onde de haute précision pour l optique active spatiale

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1 Mise en œuvre d analyseur de surface d onde de haute précision pour l optique active spatiale C. Escolle C. Engel, E. Hugot, M. Mas, T. Fusco, A. Bonnefois, S. Meimon, L. Mugnier, M. Bernot, A. Liotard, M. Ferrari, V. Michau

2 Plan 1. Contexte de l Optique Active Spatiale 2. Simulation des analyseurs de surface d onde 3. Banc de test des analyseurs de surface d onde 2

3 Contexte Future génération de télescopes spatiaux : grand miroir primaire allégé Environnement spatial : Vibrations au lancement Différence de gravité sol/vol Gradient thermique durant l orbite Déformation du miroir primaire Déformation de la structure Perte de qualité optique télescope Image dégradée Besoin d un système de correction Boucle d optique active spatiale 3

4 Télescope actif sources Télescope actif étendue Image science télescope miroir déformable ponctuelle commande ASO Correction des déformations du miroir primaire par le miroir déformable Correction du désalignement des miroirs par la structure du télescope 4

5 Télescope actif sources Télescope actif étendue Image science télescope miroir déformable ponctuelle commande ASO Correction des déformations du miroir primaire par le miroir déformable Correction du désalignement des miroirs par la structure du télescope 5

6 ASO pour OAS Contraintes sur la mesure du front d onde Précision de quelques nanomètres Mesure d aberrations hauts ordres statiques sur source ponctuelle Mesure d aberrations bas ordres dynamiques sur source étendue Aberrations très hauts ordres non mesurables Analyseur compatible missions spatiales Analyseurs de surface d onde testés Shack-Hartmann (plan pupille) Diversité de phase (plan focal) 6

7 Plan 1. Contexte de l Optique Active Spatiale 2. Simulation des analyseurs de surface d onde 3. Banc de test des analyseurs de surface d onde 7

8 Shack-Hartmann : principe Méthode plan pupille Mesure du gradient de la phase : Achromatique = Fonctionne en source ponctuelle et étendue Traitement simple des images par CDG ou corrélation Complexité de mise en œuvre 8

9 Shack-Hartmann : simulation 1) dimensionnement d un Shack-Hartmann et d un reconstructeur de front d onde minimisant le repliement, avec un modèle simplifié parfaitement linéaire 2) validation du dimensionnement par simulation end-to-end sur source ponctuelle 3) dimensionnement du nombre de pixels par sous-pupille par simulation end-to-end sur source étendue 4) étude de linéarité de la mesure d aberrations dynamiques bas ordres 9

10 Shack-Hartmann : résultats Source ponctuelle Précision < 15 nm 10 x 10 sous-pupilles suffisantes pour obtenir la précision optimale visà-vis du repliement Décomposition de la phase aberrante optimale sur 800 modes orthogonaux de Zernike (sous-modélisation négligeable) Source étendue Précision < 10 nm 50 x 50 pixels par sous-pupille sont suffisants pour obtenir la performance Estimation linéaire sur les aberrations bas ordres dynamiques 10

11 Diversité de phase : principe I 1 I 2 Recherche de la phase aberrante Φ telle que : I ()= I ()= ( ) avec Φ! diversité de phase connue Méthode plan focal Simplicité d implémentation Chromatique Traitement des données complexe 11

12 Diversité de phase : simulation Simulation end-to-end sur source ponctuelle But : limiter l effet du repliement et de la largeur de bande spectrale Etude paramétrique : Nombre de modes reconstruits Largeur de bande spectrale Bruit Simulation end-to-end sur source étendue But : étude de sensibilité sur la mesure de bas ordres dynamiques Etude paramétrique : Amplitude et type des aberrations dynamiques considérées Luminance de l objet étendu Type d objet étendu (23 images différentes) Différents valeurs d échantillonnages 12

13 Diversité de phase : résultats Simulation source ponctuelle Précision < 10 nm Point de fonctionnement largeur spectral < 100 nm Reconstruction optimale sur 100 polynômes Erreur due au bruit négligeable Simulation source étendue Précision sur les premiers modes < 10 nm Précision indépendante du type d aberration dynamique Précision indépendante de l objet étendu (sauf objet très uniforme spatialement) Pas de perte de performance jusqu à un SNR de 20 Robuste au sous-échantillonnage (jusqu à Shannon/4) 13

14 Simulation ASO : conclusions Conclusion Performances Shack-Hartmann et diversité de phase similaires Précision < 10 nm Bonne robustesse aux bruits Points durs Repliement des très hauts ordres (aliasing) Objet étendu peu contrasté Largeur de bande spectrale et hypothèse d objet monochrome pour la diversité de phase 14

15 Plan 1. Contexte de l Optique Active Spatiale 2. Simulation des analyseurs de surface d onde 3. Banc de test des analyseurs de surface d onde 15

16 Banc RASCASSE : fonctions Valider les simulations Sources ponctuelle et étendue Aberrations statiques et dynamiques 16

17 Banc RASCASSE : fonctions Valider les simulations Etudier les points durs soulevés avec les simulations Sources étendues monochrome et polychrome Filtres avec différentes largeurs de bande spectrale Affichage par la source de différents objets étendus 17

18 Banc RASCASSE : fonctions Valider les simulations Etudier les points durs soulever avec les simulations Etudier la robustesse des ASOs Divers niveaux de bruit (SNR) Divers échantillonnages 18

19 Banc RASCASSE : fonctions Valider les simulations Etudier les points durs soulever avec les simulations Etudier la robustesse des ASOs Comparer les différents concepts d ASO Utilisation parallèle des ASOs Minimisation des aberrations différentielles (NCPA) 19

20 Banc RASCASSE : fonctions Valider les simulations Etudier les points durs soulever avec les simulations Etudier la robustesse des ASOs Comparer les différents concepts d ASO Banc représentatif Obscuration centrale 20

21 banc RASCASSE : présentation Collimateur Source Lentille de collimation 21

22 banc RASCASSE : présentation Collimateur Simulateur de télescope Pupille avec obscuration centrale Masque de phase gravé Plan focal intermédiaire Imagerie pupillaire Séparatrice 22

23 banc RASCASSE : présentation Collimateur Simulateur de télescope Voie Diversité de phase Lentille imagerie Séparateur à décalage latéral 23

24 banc RASCASSE : présentation Collimateur Simulateur de télescope Voie Diversité de phase Voie Shack-Hartmann Relai de pupille Plan focal intermédiaire Matrice de micro-lentilles 24

25 Banc RASCASSE : performances Voie diversité de phase Spot radius rms < 3,8 µm Anisoplanétisme < λ/100 Diversité de phase 0,84 λ Ouverture f/25 0,03 Voie Shack-Hartmann Anisoplanétisme < λ/100 Diamètre pupille 6,44 mm Ouverture f/20 0,028 0,026 0,024 0,022 0, ,64-7,776 Erreur de front d'onde RMS [λ] 2,592 3,456 4,32 5,184 6,048 6,912 7,776 8,64-6,912-6,048-5,184-4,32-3,456-2,592-1,728-0, ,864 1,728 Champ [mm]

26 Conclusion Conclusion Les analyseurs simulés atteignent les performances requises pour une utilisation dans une boucle d optique active spatiale Le banc répond aux besoins et atteint les performances nécessaires à la validation des simulations Perspectives Intégration, alignement et recette du banc (juillet août) Test des analyseurs (septembre novembre) 26

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